Glycogène

Le glycogène, une macromolécule constituée d’un homopolymère de glucose, se trouve dans le foie et dans les cellules musculaires des organismes animaux et humains. Il agit comme une réserve d’énergie chimique, permettant une libération rapide de glucose en réponse aux besoins énergétiques. Ce rôle est similaire à celui de l’amidon chez les végétaux.

Description du glycogène

Le glycogène, un glucane, est une substance de réserve également présente chez les eumycètes. Cet amidon de foie se présente sous la forme d’un oligosaccharide ou polysaccharide ramifié, constitué de monomères de glucose. En tant que hydrate de carbone stocké, cette macromolécule assure le stockage et la fourniture rapide de glucose à court et moyen terme. Il constitue ainsi une source d’énergie essentielle dans l’organisme animal ainsi que chez les humains.

Historique du glycogène

En 1856, le médecin et physiologiste français Claude Bernard découvre la fonction glycogénique hépatique, suivie de l’isolement de la molécule. Cela a marqué une rupture significative avec les conceptions antérieures en matière de nutrition. À l’époque, l’idée était que seules les plantes ont été considérées comme capables de produire des glucides. Ces derniers étaient ensuite dégradés par les animaux dans un organe encore indéterminé, que Lavoisier pensait être le poumon.

Le docteur Bernard a observé la présence de sucre à la sortie du foie et son absence à l’entrée, même chez les souris exclusivement nourries de viande. Cependant, ses méthodes de dosage ne permettaient pas de le détecter en dessous de 0,8 à 1 g/l. Ces expériences ont alors été interprétées de façon excessive et furent considérées comme erronées par les autres scientifiques. Les anciennes théories supposaient que le foie ne faisait que stocker le glucose sous forme de glycogène. Des recherches ultérieures ont révélé que la glycogénogenèse était le facteur essentiel de la formation du glycogène hépatique.

Structure et propriétés du glycogène

Pendant les efforts, cette macromolécule stockée dans les muscles est dégradée en glucose, qui est exclusivement utilisé par les cellules musculaires.

Sa structure comprend une protéine centrale appelée glycogénine. Environ 50 000 unités de glucose y sont généralement associées en liaison α-1,4-glycosidique. Cette dernière se produit à chaque bloc de 8 à 12 molécules. Des liaisons α-1,6-glycosidiques supplémentaires assurent une configuration arborescente à la molécule.

Bien que le glycogène présente des similitudes avec l’amylopectine, son degré de ramification est plus élevé que celui de l’amidon végétal.

En plus des muscles, le foie et les reins agissent également en tant que réserves de glucose, disponibles pour les autres cellules. Pendant le sommeil, celles de la médullosurrénale et des érythrocytes y puisent leur énergie.

La teneur en glycogène hépatique dépend de l’état nutritionnel de chaque personne. Cette proportion représente moins de 1 % du poids total du foie en cas de jeûne. Elle peut atteindre les 20 % avec une alimentation équilibrée en protéines et en lipides, en plus d’être riche en glucides.

Applications du glycogène             

Dans le contexte sportif, les athlètes d’endurance peuvent faire face à l’épuisement de leurs réserves de glycogène. Afin de pallier cette situation, ils adoptent des stratégies telles que l’absorption continue de sucres à indice glycémique élevé pendant l’effort. En effet, une consommation excessive d’aliments sucrés peut favoriser une augmentation de la capacité de stockage des muscles. A titre d’exemple, les cyclistes professionnels recourent à l’ingestion de glucides et de caféine après un entraînement intensif pour reconstituer rapidement leurs réserves.

En cas de dette glycogénique, les athlètes peuvent ressentir une fatigue extrême pouvant aller jusqu’à l’incapacité de mouvement. 

Les principaux sites d’accumulation du glycogène dans le corps sont les cellules hépatocytes et les fibres musculaires. Le foie peut amasser 10 % de son poids, tandis que les muscles peuvent stocker jusqu’à 2 %. Étant plus volumineux, ils ont une plus grande capacité de concentration en énergie.

La connaissance du métabolisme de cet amidon de foi est essentielle pour les sportifs afin d’adopter une stratégie de recharge, visant à maximiser leurs stocks énergétiques. Trois jours avant l’épreuve, un entraînement intensif peut épuiser entièrement les réserves de glycogène. Ainsi, il est crucial d’absorber un gramme de glucides par kilogramme de poids toutes les heures pendant quatre heures, pour les renouveler régulièrement.

La consommation de glucose par les muscles dépend de l’intensité et de la durée de l’exercice. Un sportif qui s’alimente optimalement possède généralement suffisamment une réserve de glycogène pour une heure à une heure trente.

Adopter une stratégie pour reconstituer les réserves énergétiques avant l’effort est recommandée, afin de retarder l’apparition de la fatigue. L’entraînement régulier est également important pour améliorer les performances et augmenter naturellement les taux de cette macromolécule dans les muscles.

Pendant l’exercice, les muscles exploitent le glucose pour produire de l’énergie. Lors d’un effort prolongé, un apport en cet élément est vivement recommandé pour fournir du tonus directement aux muscles. Il réduit ainsi l’utilisation des réserves de glycogène. Son épuisement peut occasionner une fatigue musculaire, une baisse de performance, voire des crampes musculaires.

Dans l’ensemble, le sportif doit absorber dix grammes de glucides par kilogramme de poids. Cette quantité est consommée entre les quatre heures post-entraînement et les repas équilibrés de la journée. Cette pratique vise à augmenter les stocks énergétiques pour améliorer les performances dans les sports d’endurance comme le triathlon ou les raids.

Le Régime Dissocié Scandinave (RDS) et le Régime Dissocié Modifié (RDM) sont indiqués pour la recharge glucidique. Le RDS épuise initialement les réserves en glycogène avec un régime pauvre en glucides, mais riche en lipides et en protéines, suivi d’une recharge intense. Le RDM, moins contraignant, se concentre uniquement sur la période de recharge glucidique trois jours avant la compétition.

L’hydratation est cruciale, surtout pendant les épreuves sportives, car lors de la conversion du glucose, un gramme de glycogène nécessite trois grammes d’eau.

Métabolisme du glycogène

Le métabolisme de cette macromolécule est fait de cascades de réactions complexes, finement régulées.

Synthèse du glycogène

La glycogénogenèse se déroule en deux étapes distinctes. Initialement, la glycogène synthétase facilite la création de chaînes linéaires à partir de l’amorce formée par le glycogénine, présente dans chaque molécule de glycogène. Ces liaisons adoptent la forme α-1,4-D-glucane-osidiques. Par la suite, l’enzyme branchant (α-1,4-D-glucane) interconnecte ces chaînes entre elles.

Le glucose est préalablement phosphorylé pour faciliter son métabolisme et ses transformations avant d’intégrer les réserves d’énergie. L’enzyme phosphoglucomutase isomérise le glucose-6-phosphate en glucose-1-phosphate, est activé ensuite par l’uridine triphosphate. Sous l’action de la glycogène synthase, le glucose ainsi obtenu est ajouté à l’extrémité non réductrice du glycogène existant.

L’enzyme du 1,4-α-glucane crée des subdivisions dans la chaîne toutes les 7 à 12 molécules de glucose. Une structure hautement ramifiée se forme. Le foie et les muscles stockent la macromolécule, ensuite dégradée lors d’un besoin énergétique.

Dégradation du glycogène

La dégradation de la partie linéaire du glycogène est orchestrée par l’enzyme glycogène phosphorylase, dépendante du phosphate de pyridoxal. Elle catalyse la liaison du phosphate libre avec l’atome de glucose en C1 et induit la scission de la liaison glycosidique entre les molécules de glucose. Le produit de cette réaction, le glucose-1-phosphate, peut être converti en glucose-6-phosphate par une mutase. Il représente la forme stable du glucose dans une cellule.

L’action du glycogène phosphorylase est limitée aux glucoses, situés avant un site de ramification. La 4-α-glucanotransférase transfère trois des quatre molécules de glucose en amont de la ramification vers une autre chaîne. Elle les ajoute de manière linéaire. La molécule restante, liée à l’alpha-1,6-glucosidique, est ensuite libérée par une autre activité de l’enzyme de débranchement. Cette réaction aboutit à la formation de glucose libre.

Les muscles détiennent la plus grande quantité de glycogène en termes absolus. L’absence du glucose-6-phosphatase limite leur capacité à lâcher du glucose dans la circulation sanguine. Ce processus de libération est effectué par les cellules hépatiques et rénales ainsi que les entérocytes. Ainsi, le foie et les reins sont des acteurs clés dans le maintien adéquat de la glycémie.

Régulation hormonale

La production et la dégradation du glycogène dans l’organisme sont étroitement régulées par l’insuline, le glucagon et l’adrénaline.

L’insuline, hormone hypoglycémiante, stimule la synthèse de cette macromolécule en activant la glycogène synthase par sa fixation au récepteur de la tyrosine kinase. En revanche, le glucagon et l’adrénaline, hormones hyperglycémiants, entraînent sa détérioration en glucose en activant la glycogène phosphorylase.

La régulation de ces enzymes implique des mécanismes complexes de phosphorylation et de déphosphorylation. Les formes actives et inactives du glycogène phosphorylase (a et b) sont interconvertibles par des processus de phosphorylation. Ces derniers sont régulés par des kinases et des phosphatases, influencés par des hormones. La forme a est phosphorylée par une phosphorylase kinase sous le contrôle des hormones. La forme b est régulée localement par des facteurs allostériques tels que l’AMP (adénosine monophosphate).

L’AMP cyclique (AMPc) joue un rôle clé dans l’activation de la cascade de phosphorylation. Lorsque le glucagon se lie à son récepteur sur les hépatocytes, une suite de réactions conduit à sa formation. Ce second messager active la protéine kinase A, qui à son tour phosphoryle la phosphorylase kinase. La réaction induit la conversion du glycogène phosphorylase de la forme b à la forme a. Elle libère par conséquent du glucose.

L’insuline agit de manière antagoniste en activant la phosphatase, favorisant la déphosphorylation et l’inactivation du glycogène phosphorylase. Le glycogène synthase est également régulé par des mécanismes de phosphorylation et de déphosphorylation, sous l’action de cette hormone.

Troubles métaboliques

Bien que rares, les glycogénoses sont des maladies héréditaires, résultant de déficits enzymatiques nécessaires à la synthèse du glycogène. Parmi ces troubles, le diabète constitue la pathologie la plus courante. Des irrégularités dans la production de l’insuline entraînent une accumulation ou un épuisement anormal du glycogène hépatique.

Les symptômes des troubles du stockage du glycogène (GSD) peuvent se manifester par un retard de croissance ou des problèmes cardiaques. Une hypoglycémie, une hypertrophie du foie, des sueurs, une fatigue constante, des calculs rénaux ou des ecchymoses peuvent également indiquer l’une de ces pathologies  

Le diagnostic d’un GSD implique des biopsies musculaires ou hépatiques et l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Par la suite, il est confirmé par des analyses génétiques pour identifier les mutations. Les traitements varient selon le type de trouble, mais ils incluent généralement la régulation de la prise de glucides. Des analyses sanguines sont également utilisées pour une évaluation plus approfondie.